曹林祥，陳小龍，2，3，4*，謝德寬，5

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；5.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241001）

在海洋環(huán)境中建立腐蝕試驗站進行自然環(huán)境暴露試驗，是目前世界上普遍采用的有效腐蝕研究方法。通過自然暴露試驗臺可以掌握不同材料在海洋環(huán)境中的腐蝕過程和腐蝕機理，為工程防腐設計和材料在海洋環(huán)境下的使用壽命或壽命預測提供合理可靠的設計依據[1-3]。

發(fā)達的海洋國家普遍重視暴露試驗研究，建有一系列目的不同的暴露試驗站，有的已累計了30 余a 的研究數據[4-6]。我國起步較晚，以杭州灣跨海大橋暴露試驗站為例，設計使用年限50 a，承載平臺與樁基礎之間采用抱箍連接，使用5 a后技術人員進行鋼結構防腐狀況檢查，發(fā)現主梁、螺栓、螺帽、鋼格柵、爬梯、欄桿等構件涂層破壞嚴重。

從杭州灣跨海大橋暴露試驗站使用情況來看，防腐蝕問題尤其重要，腐蝕后結構更換困難。常規(guī)的現場焊接、抱箍螺栓連接等措施在海水的銹蝕作用下易導致連接失效，帶來安全隱患。

本文結合舟岱大橋暴露試驗站的設計、施工，介紹一種裝配式施工工藝，探討惡劣海況環(huán)境下暴露試驗站施工的多項關鍵技術及控制要點，提出了裝配式暴露試驗站施工的關鍵創(chuàng)新技術，可為今后類似工程提供參考和借鑒。

1 技術難點和應對措施

本項目的技術特點和難點主要體現在2 個方面：一是惡劣的水文條件造成的，常規(guī)的焊接式平臺水上作業(yè)多、速度慢、施工風險較大；二是海洋腐蝕環(huán)境特性對現場焊接、抱箍連接等易造成連接失效，帶來安全隱患。

針對以上技術特點和難點，一方面從設計、施工角度出發(fā)，優(yōu)化結構設計，盡量減少暴露試驗站現場焊接量，加快施工速率，降低施工風險；另一方面從結構防腐蝕角度出發(fā)，焊接盡量在后場完成，減少暴露試驗站拼裝完成后補涂油漆量，因現場作業(yè)條件較差，補涂油漆質量差，難以達到設計標準。

2 暴露試驗站方案比選

暴露試驗站由樁基礎和上部平臺結構體系構成，后者可采用現場單部件拼裝方式或后場一體化加工2 種施工方式。結合本工程特點，對兩種方案進行比選，見表1。采用后場一體化施工方式更加適合本工程，可盡可能利用短窗口期完成施工。

表1 暴露試驗站施工方式對比Table 1 Comparison of construction methods of exposure test station

3 暴露試驗站結構設計

根據當前寧波舟山港主通道工程建設進展，依托臨近北通航孔橋的A 組試樁平臺建設暴露試驗站，暴露試驗站共設3 層平臺，從上至下分為浪濺區(qū)、水位變動區(qū)和水下區(qū)。利用北通BT3 承臺設置暴露試驗站大氣區(qū)，北通BT2 承臺設置鋼支架，用于暴露試驗研究工作。試驗站位置見圖1。

圖1 暴露試驗站選址位置圖Fig.1 Location map of exposure test station

3.1 設計條件選取

暴露試驗站設計條件取值如下：潮位、流速按100 a 一遇取值，設計高潮位+3.56 m，設計低潮位-2.41 m，設計流速2.42 m/s；臺風期最大風速v=39.4 m/s，波浪H=5.04 m，T=7.1 s；暴露試驗站所處位置泥面高程-16.1 m，考慮5 m 設計沖刷深度，沖刷后泥面標高-21.1 m。

3.2 暴露試驗站結構

依托臨近北通航孔橋的A 組試樁平臺建設暴露試驗站，暴露試驗站結構由兩部分組成，即樁基礎和上部平臺結構體系。試驗站總體結構如圖2 所示。樁基礎采用已完成打設的A 組試樁平臺的4 根錨樁、2 根基準樁和1 根試樁，7 根樁基礎鋼管規(guī)格均為φ1 600 mm×22 mm；上部平臺結構體系主要由φ1 800 mm×22 mm 鋼套管、套管之間2HM588×300 連接主梁、主梁間HN500×200 連接次梁以及鋼格柵、爬梯、護欄等附屬設施組成；樁基礎和上部平臺結構體系之間通過在鋼套管與鋼管樁之間灌漿連接限位。

圖2 暴露試驗站示意圖Fig.2 Schematic diagram of exposure test station

根據橋址區(qū)潮位及波高將暴露試驗站試驗平臺分為水下區(qū)-3.100 m、水位變動區(qū)+0.500 m、浪濺區(qū)+3.108 m，以此來設置3 層擱置平臺標高（大氣區(qū)設置在BT3 承臺上，標高+6.700 m）。

3.3 有限元模擬分析

本計算采用Midas Civil 有限元分析軟件，對各不利工況下的結構位移、應力等參數進行分析。由于結構復雜，建模時對重要性較低的零部件進行了一定程度簡化，采用Beam 單元。鋼管樁在嵌固點處固結，梁系與鋼管之間固結。

計算機仿真計算結果如表2 所示。

表2 仿真計算結果Table 2 Simulation results

上部平臺結構體系均采用Q235B 材料，仿真計算結果均在最高標準以內，總體位移與應力滿足規(guī)范和設計要求。

4 暴露試驗站總體施工工藝

暴露試驗站上部平臺結構體系重189 t，在后場整體制作、驗收合格后船運至現場，通過起吊船舶進行整體吊裝施工?？傮w施工工藝見圖3。

圖3 暴露試驗站總體工藝流程圖Fig.3 The overall process flow of the exposure test station

4.1 暴露試驗站上部平臺結構體系制作

在進行上部平臺結構體系制作前，對現場已施工的A 組試樁平臺鋼管樁樁位中心相對位置進行測量，根據實際測量結果對結構平面位置（鋼套管）適當調整，確保鋼套管與鋼管樁能良好匹配。

鋼結構的制作要滿足圖紙和技術規(guī)范要求，全過程包括材料的采購及復驗，焊接工藝評定，分段劃分，鋼材預處理，放樣、下料、加工，分段制造，內場吊運、翻身，二次除銹、涂裝、工廠預組裝等過程。

4.2 暴露試驗站安裝

4.2.1 填芯混凝土施工

根據設計要求，為了增加結構整體剛度，在7 根樁基礎鋼管樁內澆筑填芯混凝土。鋼管樁填芯混凝土填筑底面高程為-9.000 m，泥面低于-9.000 m 時回填至設計標高，泥面高于-9.000 m時吸泥至設計標高。

4.2.2 上部平臺結構體系吊裝施工

起重船通過絞錨慢慢移位，平臺基本移位到樁頂正上方后，通過2 根纜風繩的牽動、船機左右移動和扒桿轉向變幅，使每根鋼套管孔基本對準每根樁頭，平臺緩緩下放，必要時通過纜風繩進行調節(jié)、定位。當平臺將要下至設計標高，即頂層平臺將要抵達鋼管樁頂時，平臺通過預先安裝好的導向裝置就位，此時鋼套管的中心與鋼管樁的中心相重合，測量校核滿足要求后立即加固，平臺加固好后起重船方可脫鉤。

4.2.3 平臺加固及灌漿連接

上部平臺結構體系吊裝就位后，根據設計圖紙采用多功能作業(yè)船進行加固連接。

加固完成后，采用攪拌船對鋼套管與鋼管樁之間進行灌漿連接。

4.2.4 附屬設施安裝及犧牲陽極安裝

灌漿連接完成后進行固定支架、鋼筋籠、欄桿、航標燈等附屬設施安裝施工，并對鋼管樁基礎以及試驗平臺涂層破損情況進行排查及修補，最后完成陽極安裝。

5 關鍵技術創(chuàng)新及應用

常規(guī)的海上暴露試驗站平臺設計、施工技術已較為成熟，不少文獻已給出沿海暴露試驗站的選址原則和設計方法等[7-8]。本文結合項目自身特點和難點，在部分構造和工藝上進行了改進和創(chuàng)新，應用效果較好。

5.1 設計理念的創(chuàng)新

結合本項目的技術特點和難點，針對本工程惡劣海況條件以及海洋環(huán)境下結構防腐要求，傳統的焊接式、抱箍連接式平臺已不能滿足施工需求，經對比、分析研究，裝配式平臺作為施工方案首選。

根據裝配式平臺施工理念，將本項目暴露試驗站結構分為兩部分，即樁基礎和上部平臺結構體系。樁基礎和上部平臺結構體系之間通過在鋼管樁與鋼套管之間灌漿完成連接。與常規(guī)的水上平臺相比，本裝配式暴露試驗站平臺具有易施工、風險小、可靠性高等優(yōu)點；由于減少了大量的水上焊接作業(yè)，降低了施工風險、確保了施工質量。

5.2 灌漿連接技術的應用

灌漿連接是本項目的一種新型連接技術。針對惡劣海況下的建設條件，借鑒海上風電平臺施工技術，最終確定對本項目鋼管樁和平臺上部結構體系鋼套管之間采取灌漿連接方式，見圖4。

圖4 鋼管樁和鋼套管灌漿連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting connection between steel pipe pile and steel casing

吊裝暴露試驗站平臺上部結構體系前，預先在鋼管樁上對應于鋼套管設計底標高處設置灌漿用底托板，底托板通過鉤筋或鋼絲繩懸掛在鋼管樁上。平臺上部結構體系吊裝到位，頂層平臺主梁擱置于錨樁頂上，提拉鉤筋或鋼絲繩，使灌漿用底托板貼緊鋼套管底部，防止灌漿時漏漿。

灌漿連接效率高，連接可靠，且整個過程不損壞平臺上已涂覆油漆，確保了裝配式平臺施工工藝的實施。

5.3 靠船裝置

暴露試驗站靠船裝置用于試驗及日常檢修船舶停靠使用，因受船舶撞擊易導致變形、油漆剝落進而腐蝕，其更換頻率較一般構件快。

本項目靠船裝置采用抱箍連接形式，見圖5。

圖5 靠船裝置設置示意圖Fig.5 Schematic diagram of docking device setting

抱箍與鋼套管之間設置10 mm 橡膠皮，避免船舶撞擊導致涂層破損；抱箍圈靠船側設置橡膠護舷，橡膠護舷與抱箍之間通過支撐板和不銹鋼螺栓連接。

抱箍式靠船裝置的優(yōu)點在于受船舶撞擊后不損壞平臺鋼套管上已涂覆油漆，且自身變形、腐蝕后更換較方便。

6 結語

寧波舟山港主通道舟岱大橋暴露試驗站因惡劣海況條件以及海洋環(huán)境下結構防腐要求，施工技術難度較大。針對現場實際情況，經對設計、施工要求的深入研究，采用了一體式裝配化設計理念以及灌漿連接新工藝，順利完成暴露試驗站的建設，降低了施工風險，確保了施工質量，達到設計施工預期。建設過程中創(chuàng)新并實踐的施工工藝，可為類似工程的施工提供參考和借鑒。